[what if]第119期:激光雨伞

提问:

用雨伞或者帐篷遮雨太没意思了,如果你用一个激光发射器瞄准落下来的每一个雨滴,在它们落到离地10英尺的高度前就把它们一一汽化会怎么样?

—— Zach Wheeler

回答:

用激光束来遮雨听上去完全可行,如果你……

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虽然激光雨伞这个想法听上去很有吸引力,但它……

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(你肿么啦?)

好吧,我们现在讨论的是用激光来遮雨的问题。

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(谁允许你讨论这个问题了?)

这个想法不那么有可行性。

首先我们来看看基本的能量需求。汽化一升水需要约260万焦耳的能量,[1]而在一场大雨中每小时的降雨量可达半英寸(约1.27厘米)。就这点来说这个问题回答起来并不难,你只需要把降水的体积乘以260万焦耳就能得出激光雨伞需要的能量了(单位:瓦/平方米遮蔽面积)。咋一看到这个简单直白的式子,你可能还不太习惯:

260万焦耳/升 * 0.5英寸/小时 = 9200 瓦/平方米

每平方米9千瓦的能量密度比阳光照射地面传递的能量密度还要高一个数量级,因而你的周围温度会上升地很快。事实上你会在你身边制造出一团蒸汽,而你还在不停地向这团蒸汽输入激光能量。

换言之,你将会造出一个人体大小的高压锅。我不用说你也知道高压锅不是一个居住的好地方。

但还有更糟的事呢!用激光汽化一颗水滴比看上去的要更复杂。[2]有很多很多很多篇论文在研究这个话题,总之就是要以极快的速度输入大量的能量,才能汽化水滴而不是把它们打碎成更小的水滴。

这个视频中你可以看到当一颗水滴被激光脉冲击中后,只汽化了很小一部分,其余的都被打碎成更小的水滴了。结论是之前提到的能量需求已经够多了,如果你想彻底汽化一颗水滴,需要的能量更加不可想象。

接下来我们来谈谈瞄准的问题,理论上来说这个问题应该是可以解决的,自适应光学系统可以快速并准确地控制光束。覆盖一个100平方米的面积(在Zach完整的提问中提到了这个方面)每秒需要发出约5万个脉冲。这个速度已经慢到不会引发任何直接与相对论有关的问题,但是说实话,你的这个系统再简单也不能只有一个装在旋转底座上的激光发射器吧。

也许我们应该完全放弃瞄准,而是随机朝某个方向发射激光。[4]

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(一了百了地解决了所有问题)

如果你朝一个随机方向发射激光,激光前进多远才会撞上一滴雨滴?这个问题很简单,其实问得就是你在下雨天能看多远,答案是至少有几百米。除非你想保护你周围的所有邻居,否则随机方向发射激光是没有多少用处的。

而且实话实说,如果你真的打算保护你的邻居……

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(起火的原因有许多:在床上吸烟,干燥的棉絮,感生电流,太阳光斑,小潮,环氧合酶被抑制,eBay,生火器,吃豆人游戏中的一个鬼魂跑了出来,撞倒了你家的一根蜡烛)

……随机发射威力巨大的激光真的一点作用都不会有。

注释

  • 注1:如果水的温度更低一点,需要的能量也就更多,但差别不大。把水加热到沸点只会用去260万焦耳能量中的一小部分,绝大部分能量都被用来将100摄氏度的水变成100摄氏度的水蒸气了。
  • 注2:而且老实来说,光是看上去就已经很复杂了。
  • 注3:J.C Carls 和J.R Brock写的论文《水滴在经脉冲激光加热后产生的爆炸》(Explosion of a water droplet by pulsed laser heating)中写道:“……在实践中,把一颗水滴加热到极高的温度而不产生巨大的位移……是非常困难的。”
    这篇论文里还有许多有意思的句子,比如“水珠看上去仍然保持了基本的形状,并没有碎裂开来”,“之前形成的颗粒很有可能会被汽化”,“在做了一些奇怪的事情后,状态方程得出的结果也很奇怪”,“雪崩般破碎”,“极低的气压,有时甚至是负值”,“可能产生的最剧烈的反应”以及“观察到了极高的温度”。

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